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通风管网布置与设计,第六章,第六章通风管网布置与设计,通风管道计算有两个基本的任务一是确定管道的阻力,以确定通风除尘系统所需的风机性能;二是确定管道的尺寸直径，管道设计的合理与否直接影响系统的投资费用和运行费用。,一.管道压力计算一管道的阻力计算管道的阻力包括摩擦阻力和局部阻力.摩擦阻力由空气的粘性力及空气与管壁之间的摩擦作用产生,它发生在整个管道的沿程上,因此也称为沿程阻力。,局部阻力则是空气通过管道的转弯,断面变化,连接部件等处时,由于涡流、冲击作用产生的能量损失.,1.摩擦阻力管道的摩擦阻力采用下式计算ΔPmλl/Deρu2/2式中ΔPm----摩擦阻力,Pa;λ----摩擦阻力系数,其值与流态有关;l----管道长度,m;ρ----空气密度,Kg/m3;u----管内平均流速,m/s;De----风管的当量直径,m.,当量直径De4f/P式中f----管道的断面积,m2;P----管道的周长,m.对于圆管,当量直径即为管道的直径.对于矩形管,通常采用两种当量直径,即流速当量直径和流量当量直径.流速当量直径是假设当量管道的流速与矩形管的流速相等,并且单位长度的摩擦阻力也相等.由此推得流速当量直径为De2ab/aba,b为矩形管断面的长,宽边尺寸.,流量当量直径是假设等效圆管的流量与矩形管的流量相等,并且单位长度的摩擦阻力也相等.由此推得流量当量直径为实际计算中多采用流速当量直径.在实际设计计算中,一般将上述摩擦阻力计算式作一定的变换,使其变为更直观的表达式.目前有如下两种变换方式,1比摩阻法令Rmλ/Deρu2/2称Rm为比摩阻,Pa/m,其意义是单位长度管道的摩擦阻力.这样摩擦阻力计算式则变换成下列表达式ΔPmRml为了便于工程设计计算,人们对Rm的确定已作出了线解图,设计时只需根据管内风量、管径和管壁粗糙度由线解图上即可查出Rm值,这样就很容易由上式算出摩擦阻力.,2综合摩擦阻力系数法管内风速uL/f,L为管内风量,f为管道断面积.将u代入摩擦阻力计算式ΔPmλl/Deρu2/2后,令Kmλl/Deρ/2f2则摩擦阻力计算式变换为下列表达式ΔPmKmL2称Km为综合摩擦阻力系数,NS2/m8.采用ΔPmKmL2计算式更便于管道系统的分析及风机的选择,因此在管网系统运行分析与调节计算时,多采用该计算式.,管道摩擦阻力受多种因素的影响,在设计计算时应考虑这些因素.主要影响因素有管壁的粗糙度和空气温度.粗糙度越大,摩擦阻力系数λ值越大,摩擦阻力越大.温度影响空气密度和粘度,因而影响比摩阻Rm.温度上升,比摩阻Rm下降.线解图上查得的Rm是20℃时的数值,实际计算应根据具体温度进行修正.,过渡区摩擦阻力系数的计算公式,目前得到较广泛的采用通风管道单位长度摩擦阻力线算图使用条件温度20℃、压力101.3kPa、空气密度1.204kg/m3、运动粘度15.0610-6m2/s、管壁粗糙度K0.15mm、圆形风管等，计算参数流量管径流速阻力当实际使用条件与上述条件不符时，应进行修正。,,1密度和粘度的修正RmRm0ρ/ρ00.91v/v00.1Pa/m下标不带0为实际数据，带0为图查数据2空气温度和大气压力的修正RmKtKPRm0Pa/m式中Kt为温度修正系数，KP为大气压力修正系数，Kt[27320/273t]0.825KPP/101.30.9t，P为实际工作温度与压力,3管壁粗糙度的修正各种材料粗糙度见表修正计算式为RmKrRm0Pa/mKtKv0.25Pa/m式中Kr为管壁粗糙度修正系数，K为管壁粗糙度，mm；v为管内空气流速。管道计算软件的使用,2.局部阻力局部阻力产生的原因断面变化的管件变径管风管、风管进出口、阀门流向变化的管件弯头流量变化的管件三通、四通、风管侧面送排风口局部阻力计算式为Zξρu2/2Pa其中ξ为局部阻力系数,根据不同的构件查表获得（见附录7，P230）.,在通风除尘管网中,连接部件很多,因此局部阻力较大,为了减少系统运行的能耗,在设计管网系统时,应尽可能降低管网的局部阻力.降低管网的局部阻力可采取以下措施1避免风管断面的突然变化;2减少风管的转弯数量,尽可能增大转弯半径;3三通汇流要防止出现引射现象,尽可能做到各分支管内流速相等.分支管道中心线夹角要尽可能小,一般要求不大于30;4降低排风口的出口流速,减少出口的动压损失;5通风系统各部件及设备之间的连接要合理,风管布置要合理.,二.管内压力分布分析管内压力分布的目的是了解管内压力的分布规律,为管网系统的设计和运行管理提供依据.分析的原理是风流的能量方程和静压、动压与全压的关系式.风压通风中空气压力也叫风流压力（简称为风压），它是表示运动空气所具有的能量,它包括静压、动压和全压。,静压气体分子对容器壁所施加的压力。基本性质静压总是垂直并指向作用面；静压各向同值。表示形式绝对静压以绝对零压作为基准的静压,用Pk表示；相对静压以当地大气压力为基准的静压,用Pr表示。绝对静压和相对静压的关系关系式ＰrＰk-Ｐ0,不同标高静压计算流体力学欧拉方程dpρgdz积分即得静压计算式PP0-ρgz式中z相对于基准的高度,m；p0z0基准处的空气静压,PaN/m2；p高度为z处的空气静压，PaN/m2；ρ空气密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2。,可压缩空气密度近似按等温过程处理，即多变指数n1，由气态方程（PρRT）和欧拉方程得式中T空气的热力学温度，K；R空气的气体常数，R287J/kgK。简化计算式展开成级数，略去高项。,动压动压单位体积风流运动所具有的动能。它恒为正，具有方向性，它的方向就是风流运动的方向。单位体积空气的质量为ρ（kg/m3），风流速度为υm/s，由动能公式即得风流动压HuPa计算式Huρυ2/2全压全压Pt等于静压Ps与动压Hu之和，即PtPsHu,空气压力的国际单位为帕（Pa）、牛顿/米2（N/m2）。1Pa1N/m2。我国法定计量单位制规定，空气压力（压强）的单位为帕。帕（Pa）单位比较小，还可用百帕（hPa）、千帕（kPa）表示1hPa100Pa；1kPa1000Pa。,空气粘度,粘度表示空气粘性大小的指标，分为动力粘度和运动粘度。动力粘度一般用μ表示,其单位为NS/m2Pas,受气温影响,与压力无关。运动粘度一般用υ表示，其单位为m2/s，受温度和压力影响。μ与υ之间的关系υμ/ρ，其中ρ为空气的密度（kg/m3）。计算中,υ和μ可直接通过查表获得。,空气流动特性,风流流态流态判据雷诺数Re，当Re2300时为紊流，反之为层流。Re值计算式um流道流体平均速度，m/s;ν空气运动粘度，m2/s;D流道直径，m。非圆流道用等效直径De4S/Px取代直径D。其中S为流道的断面积（m2），Px为流道断面周长（m）。,风流型式及风速,管道的体积风量Q∫suidsui管道横断面上任一点的风速，m/s;S管道横断面积，m2;Q管道横断面上通过的体积风量，m3/s。,风流型式及风速射流,分为自由射流和有限射流,风流型式及风速射流,自由射流风流结构主要参数扩张角θ和射流边界层宽度R,它们的计算式为tgθ/23.4aRXtgθ/23.4aXa射流风流结构系数,圆管a0.06～0.08;X离射流极点的距离。射流体风速分布un射流体轴线的风速，m/s;ur射流体内距轴线r距离处的风速,m/s。,风流型式及风速汇流,分自由汇流如空间点汇和有限汇流如实际风筒入口的汇流。空间点汇风速计算Q汇流体积风量，m3/s；r距点汇的距离，m；ｕrr点处的风速，m/s。风速与距离r的平方成反比,即距离增大,风速激剧降低。,,,,r,空气流动过程的基本方程,连续方程计算流体力学连续方程一维流道∫sρuds常数稳定一维流动，流经流道各断面的空气质量相等。平均速度Um,连续方程计算,一维流道风流质量连续方程Um1S1ρ1Um2S2ρ2式中Um1、Um2流道1、2断面的平均风速，m/s；S1、S2流道1、2断面的断面积，m2；ρ1、ρ2流道1、2断面的空气密度，kg/m3。等密度即ρ1ρ2时Um1S1Um2S2,连续方程计算,多支管巷道连续方程节点分析法原理流入、流出节点的质量流量的代数和为零。式中下标i表示节点处的第i分支；n表示节点处总的分支数；“”表示风流的流动方向。,能量方程,能量方程是风流运动中能量守恒的数学表达式。流体运动所具有的能量包括内能U和机械能E，而机械能包括流体的静压能P，动压能ρυ2/2和位势能Zρg，即EPZρgρυ2/2如图所示的流体微束，流体从断面1运动到断面2的过程，由于与外界发生热交换及对外界做功，其能量就要发生变化。,能量方程,能量方程,根据热力学第一定律有（U1E1）-（U2E2）qhU1、U2分别为断面1、2流体的内能；E1、E2分别为断面l、2流体的机械能；q流体与外界交换的热量；h流体对外界所做的功。对于绝热过程q0；对于等温过程U1U2。则不可压缩流体绝热、等温的稳定流动过程的能量方程为,能量方程应用,有风机能量方程水平管道，进口与出口均为大气压时，风机风压H与风流阻力h12之间的计算式Hρυ22/2h12,主要结论1风机的风压等于风管的阻力和出口动压损失之和;2风机吸入段的全压和静压都是负值,风机入口处的负压最大;风机压出段的全压和静压都是正值,在出口处正压最大;3各分支管道的压力自动平衡.,1.管道直径的计算在计算管道直径时,应满足以下约束条件1管内流速的要求对于除尘管道,为了防止粉尘沉积管壁上,管内流速要大于一定的数值,即u≥umin,umin为防止粉尘沉积的最小风速.对非除尘管网可不受这个条件的约束.2阻力平衡要求要使各分支的风量满足设计要求,各分支的阻力必须平衡.如果设计的阻力不平衡就应进行调节.,3管道投资费用和运行费用的合理性管道直径增大,阻力减少,运行费用降低,但阻力增大,运行费用也增大.因此,管径的合理性应表现在管道投资费用与运行费用总和最小.,设计时,要使确定的管径完全满足上述约束条件是很困难的,因此人们提出了各种计算方法,常用的有以下几种方法1.假定流速法其原理是取管内流速等于最小风速或经济风速,根据管内的流量Li即可得管径Di为Di4Li/πVmin采用假定流速法求出的各分支阻力一般不平衡需进行阻力平衡调节.,,,,假定流速法的计算步骤如下1绘制通风系统轴侧图,对各管段先进编号,标注各管段的长度和风量.2选择管内合理的空气流速.3根据各管段的风量和选定的流速确定各管段的管径,并计算各管段的摩擦阻力和局部阻力.4对并联管路进行阻力平衡调节.5计算系统的总阻力,并根据总阻力和总风量选择风机.,2.等压损法该法的原理是,假设风机的风压H为已知,各管段单位长度的压力损失相等,由此而求出各分支的管径.这种方法计算结果也很难满足阻力平衡要求,因此也需要进行阻力平衡调节.,3.静压复得法该法原理是在管道的分支处,由于分流使流速降低,根据静压与动压的转换原理,流速降低,使风管分支处复得一定的静压,令此复得静压等于该管段的阻力.由此即可求得管道的直径.此法主要用于高风速管网的计算.4.优化设计法该法的原理是以管道投资费用与运行费用总和最低作为目标函数而获得管道直径.这种方法是管网设计计算中的新理论,它对于降低通风系统的能耗,提高管网风平衡精度具有重要的意义.,均匀送风管道的计算要求送风管道从风管侧壁上的若干风口或短管,以相同的出口速度,均匀地把等量的空气送入室内,这种送风管道称为均匀送风管道.均匀送风管道的构造有两种形式,一种是均匀送风管道的断面变化即断面逐渐缩小而侧风口或短管的面积相等;另一种是送风管道的断面不变化而侧风口或短管的面积都不相等.其计算的基本原理是保持各侧孔的静压相等.根据管道阻力的计算和能量方程即可求得各侧孔静压相等的关系式.,均匀送风管道计算的目的是确定侧孔的面积,风管断面尺寸以及均匀送风管段的阻力.当侧孔的数量,侧孔的间距以及每个侧孔的送风量确定之后,按上述原理即可计算出均匀送风管道的尺寸.,三.管道设计中的有关问题,管道的阻力计算和尺寸计算只是管道设计的部分内容,在设计中还有许多因素需要考虑.如风管的布置问题,风管类型与材料的确定问题,管件定型化问题。风管的防火防爆措施,风管的防腐,泄水及保温措施等,在设计中都应充分考虑。,1.系统划分,系统划分原则空气处理与室内参数要求相同的，可划为同一系统；同一生产流程、运行班次和时间相同的，可划为同一系统；对多种有害物需要单独设置排风系统的情况1混合燃爆；2联合效应；3凝结积聚；4巨毒物质；除尘系统划分要求1工作距离近可合并；2不同粉尘无回收价值可合并；3温湿度不同造成凝结的需分设系统风机附近大排风量不宜和远处小排风量合并，否则系统总阻力增大，,通风管道系统划分,2.风管布置,与工艺、土建、电气、给排水等关联，牵涉总体布置除尘系统排风点不宜过多，以利阻力平衡；除尘风管尽可能垂直或倾斜敷设与水平夹角最好大于45；输送含有蒸汽、雾滴的气体时，应设定好角度与泄液管；除尘系统中为防止风管堵塞，风管直径应适宜；含剧毒物质的正压风管不应穿过其他房间；风管上应设置必要的调节测量装置或预留接口；力求顺直，避免复杂的局部管件。,风管布置,3.风管材料,根据使用要求和就地取材的原则选用薄钢板安装方便，耐温硬聚氯乙烯塑料板防腐，光滑，砖、混凝土节省钢材，经久耐用，阻力大胶合板纤维板矿渣石膏板软管柔性塑料，橡胶及金属软管,风管材料,清粉机,镀锌管道和气力输送系统,4.风管保温,减少风管对热量损失、避免影响室温或表面结露，需要保温保温材料软木、聚苯乙烯泡沫塑料、超细玻璃棉、玻璃纤维保温板、聚氨酯泡沫塑料等，导热系数大都在0.12W/m℃以内；保温厚度根据保温要求经济核算保温层结构安排1防腐层2保温层3防潮层4保护层,风管保温,5.风管断面选择和管道定型圆形管阻力小、材料省、强度大；但制作难、布置难配合。矩形管易加工，断面尺寸大时节省建筑空间，易与建筑结构配合。管道定型国家建委1975年通风管道统一规格6.进排风口进风口靠近清洁点，排风口上风侧，高度温度适宜排风口高出屋面至少0.5m，大气扩散稀释的要求7.防火防爆控制温度与浓度，防止燃烧条件的形成,四.气力输送系统,吸送式系统低压吸送真空度小于9.8kPa高压吸送真空度4060kPa系统特点1.多处或低处进料；2.受料器构造简单；3.风机润滑油不污损物料；4.系统气密性要求高。,压送式系统适宜将集中的物料向多处分配气力输送系统的管道阻力计算受料器阻力空气和物料的加速阻力物料的悬浮阻力物料的提升阻力输料管的摩擦阻力弯管阻力分离器阻力其它部件的阻力,本章习题,P1762,12,